CN101748533B - 超高分子量聚乙烯纤维的牵伸工艺设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超高分子量聚乙烯纤维的热牵伸工艺方法及其设备，属于高分子材料制造领域。该方法为：对干燥完成后的纤维进行多级连续牵伸操作，纤维加热区的气流方向与纤维运动方向相同；温度逐级升高，牵伸倍率逐级降低。该装置为每级牵伸热箱分为下层气体加热区域和上层纤维加热区域，上下两层均设置有环状惰性气体气道，该牵伸热箱采用电感方式加热惰性气体。本发明不仅可以有效地减少毛丝、断丝等不良现象，提高产品品质，而且在保持总牵伸倍率不降低的基础上也可以提高入丝速度，提高生产能力。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料制造领域，特别涉及一种超高分子量聚乙烯纤维生产过程中的热牵伸工艺方法和设备。
背景技术
超高分子量聚乙烯纤维，又称高强度高模量聚乙烯纤维、高取向度聚乙烯纤维、高性能聚乙烯纤维。超高分子量聚乙烯纤维具有高强度、高模量、高取向度，广泛用于防弹防护用品、绳索、缆绳、鱼网、运动器材的制造。超高分子量聚乙烯纤维是现在比强度最高的商业化高性能纤维。
1979年荷兰DSM公司的Smith和Lemstra发明了凝胶纺丝法生产超高分子量聚乙烯纤维的工艺，并取得了英国专利GB2042414和GB2051667。1982年美国的AlliedSignal公司也提出了自己的生产超高分子量聚乙烯纤维的专利US4413110。DSM公司于1990年实现了凝胶纺丝法制超高分子量聚乙烯纤维的工业化生产。现在世界上常见的凝胶纺丝法制造超高分子量聚乙烯纤维的主要工艺步骤有：将超高分子量聚乙烯溶于第一溶剂配制成聚乙烯溶液，该溶液由螺杆挤出机挤出，经纺丝箱体喷出后，冷却凝固成凝胶纤维，用挥发性的第二溶剂萃取出第一溶剂，干燥，超倍数牵伸，最终获得成品纤维。现在世界上生产工艺主要有两大类，一类以DSM和东洋纺为代表的干法纺丝法，另一类以Honeywell为代表的湿法纺丝法。两者的主要区别是采用了不同的溶剂。DSM工艺，采用易挥发的十氢萘溶剂，采用干法纺丝，省去了其后的萃取工段；Honeywell采用石蜡油溶剂，需要后续的萃取工段，用第二溶剂将第一溶剂萃取出来。
一般情况下，作为原料的聚乙烯粉末的特性粘数至少5dL/g，这样制成的纤维强度至少为25cN/dtex，模量至少为700cN/dtex。原料聚乙烯的相对分子量必须大于100万，一般为200万～600万，最好大于400万。
在化纤生产过程中，经凝固纺丝成型后的纤维，统称为初生纤维。由于初生纤维的结构尚不稳定，纤维的超分子结构序态比较低，物理机械性能还不能满足使用要求，必须通过一系列后加工工序，其中最重要的过程就是牵伸和热定型。牵伸，又称拉伸。拉伸过程的机理是促进大分子沿纤维轴方向的取向。在拉伸过程中，纤维的大分子链或聚集态结构发生舒展，并沿纤维轴向排列取向。取向的同时，通常伴随着相态的变化，以及其它结构的变化。各种初生纤维在拉伸过程中所发生的结构和性能的变化并不相同，但是都有一个共同点，即纤维低序区的大分子沿纤维轴向的取向度大大提高，同时伴有密度、结晶度等其它结构方面的变化。由于纤维内大分子沿纤维轴取向，形成并增加了分子间力，纤维 承受外加张力的分子链数目增加，从而使纤维的断裂强度显著提高，延伸度下降，耐磨性和对各种不同类型形变的疲劳强度也明显提高。
初生纤维的拉伸可以一次完成，有的必须进行分段拉伸。纤维的总拉伸倍数是各段拉伸倍数的乘积。采用冻胶纺丝法生产的高强高模纤维，一般拉伸倍数可以达到几十甚至上百倍。
根据拉伸时，纤维所处的介质不同可以分为干拉伸、蒸汽浴拉伸和湿拉伸三种。干拉伸是指拉伸时初生纤维处于空气包围之中，纤维与空气介质及加热器之间有热量传递。根据温度的不同，又可以分为室温拉伸和热拉伸。热拉伸适用于玻璃化温度较高，拉伸应力较大或者较粗的纤维。牵伸时，温度高于玻璃化温度，不仅可以促进分子链段运动，还可以降低牵伸应力，有利于牵伸顺利进行。
经典牵伸过程的理论基础是粘弹理论和聚合物粘弹体的松弛理论。牵伸过程为纤维的形变过程，形变是时间的函数。即牵伸需要一定的时间，牵伸速度过快将造成纤维断裂。
一般牵伸热箱多采用电阻丝加热的方式加热气体，这种方式结构简单，是常见的电加热方式，但是电阻丝温度高，如果纤维携带的残留萃取剂气化或者混入其他气体，容易引起燃烧甚至爆炸，存在一定的安全隐患。另外电阻丝升高温度和降低温度需要一定时间，操作灵活性不高。而电感加热具有快速、易于控制、安全和环保的优点。
包括超高分子量聚乙烯纤维在内的采用凝胶纺丝法进行生产的纤维工艺，以获得高取向度的产品，都需要在干燥完成后进行热牵伸，又称后牵伸。凝胶纺丝的工艺过程一般包括：高分子量的聚合物溶解于纺丝溶剂中，通过喷丝板挤出经冷却成丝条状，而后除去纺丝溶剂，干燥，热牵伸，卷绕成型。在除去纺丝溶剂前，为了减小丝条的直径，加快脱除过程，有时会进行室温下的牵伸操作，称为冷牵伸，或者前牵伸。由于丝条内存在大量溶剂，在溶剂的润滑作用下，高分子链在外力作用下可以伸展，取向；但是在除去外力或者外力减小的情况下，高分子链又恢复卷曲状态。干燥后进行的牵伸过程，由于纤维内含有的溶剂已经很少，在常温下牵伸，分子链伸展、取向前即已发生断裂。在较高温度下，聚合物处于高弹态时，分子链在外力作用下发生伸展、取向，经冷却后分子链保持取向，从而获得高取向度的产品。这一过程称为热牵伸，或者后牵伸。高取向度既是超高分子量聚乙烯纤维的特征之一，也是其具有高强度、高模量的保证，是生产过程中最重要的步骤之一。
一般热牵伸设备主要由牵伸机和牵伸热箱组成。在牵伸热箱的进口处和出口处分别各有一台牵伸机，用以对纤维运动提供动力，并使纤维在进出口保持一定的速度，从而产生一定的牵伸倍率。牵伸机根据牵伸辊的数量，可以有三辊牵伸机，五辊牵伸机，七辊牵伸机等。牵伸机的辊数增加，可以提高对纤维运动的推动力，但是消耗的能源也相应增加。
纤维牵伸热箱用于加热纤维，使纤维达到一定的温度，实现热牵伸的目的。
国内外现有的牵伸设备和工艺文献，提出了牵伸设备的结构和牵伸温度和牵伸倍率的工艺数据，其中：
美国US7370395中描述了传统的热牵伸过程：纤维首先进入一组热辊，然后经过一个或者多个(通常是四个)加热炉，而后进入第二组热辊，再进入一个或者多个加热炉(通常是两个)，再进入第三组热辊，最后卷绕成型。传统的热牵伸工艺，运行费用较高。US7370395中提出纤维首先通过一组导丝辊而后进入由数个加热炉组成的加热单元，而后经过第二组导丝辊去卷绕工序。纤维在两组导丝辊之间的加热炉中完成牵伸。导丝辊可以是加热辊，也可以只在靠近加热炉附近的导丝辊进行加热。每组导丝辊可以由7根导丝辊组成，也可以少于7根或者多于7根。加热炉采用热空气循环加热纤维。加热单元由数个头尾相连的加热炉组成，加热炉的数量一般为4个或者6个，加热炉的长度为3.05～4.88米。因为纤维的形变是由相邻的两个导丝辊的速度差决定，即纤维只有在存在速度差的两个导丝辊之间才能发生形变。在两个导丝辊中设置多个热箱，由于热箱之间的间隙，容易造成纤维的受热不均匀，导致形变不均匀，容易产生断丝等不良现象。采用热空气进行加热，操作成本较低，但是在高温下存在安全隐患，特别是当纤维从干燥工段进入牵伸工段，如残留少量萃取剂等易燃物质。采用热辊可以保持纤维的温度不至于变化过大，但是不利于纤维内部分子链取向的固定。另外加热炉的长度可以适当增长，以提高设备利用效率降低成本。
中国专利CN1590604中，提出一种牵伸热箱装置，包括一端设有进风口和纤维丝束进口，另一端设有出风口和纤维丝束出口的甬道，并且在甬道的进风口和出风口之间至少增设一个进风口。特点是有两个进风口，分两次进风。通过设置静压箱的方式来稳定气体流速。专利中提出使用加热时可以产生300℃以上高温的电加热器，但是没有提出具体的电加热器类型。
中国专利CN101144199中，提出一种高模高强聚乙烯纤维的双风道牵伸热箱，在箱体内设有一端有纤维丝束进口和下进风口、另一端设有纤维丝束出口和下出风口的工作通道，在工作通道的下方设有两段分设进风口和出风口的下风道，下风道的进风口和出风口分别与工作通道的下出风口和下进风口相连通，下风道中设有风机、均压器和加热器，在工作通道的上方对称与下风道设有上风道，上风道的进风口和出风口分别与工作通道的上出风口和上进风口相连通，在上风道中设有风机、均压器和加热器。但没有涉及具体的加热器类型。
在中国专利CN201077870中，提出一种超高分子量聚乙烯纤维牵伸热箱，由箱体、箱盖、横隔板、进丝口、出丝口、热风机构成。进丝口、出丝口分别设在箱体的左右端的侧壁上，在箱体内的中部固定上横隔板、热风机固定在箱体的底板和横隔板之间，在横隔板的上面板上固定上牵伸热板装置。采用牵伸热板进行加热，牵伸热板由电热铝板等部件构成。
在欧洲专利EP0205960中提出，在140～153℃内进行牵伸，牵伸速率小于1秒-1。牵伸后在一定张力下冷却纤维以达到高度取向。但没有提出具体的牵伸设备结构。
发明内容
本发明的目的是对已有技术进行改进，提供一种新型的超高分子量聚乙烯纤维的牵伸工艺方法及其设备，该工艺方法，采用多级牵伸，牵伸温度逐级升高，牵伸倍率逐级下降，该设备采用电感方式加热惰性气体等气体的牵伸热箱；具有成品品质的稳定、最终产品的强度高、牵伸操作安全、环保等诸多特点。
本发明提出的一种超高分子量聚乙烯纤维的热牵伸工艺方法，其特征在于，：该方法包括对干燥完成后的纤维进行多级连续牵伸操作，纤维加热区的气流方向与纤维运动方向相同；温度逐级升高，牵伸倍率逐级降低，后一级热牵伸的牵伸倍率与前一级热牵伸的牵伸倍率之比为0.6～0.98，每级进口端与出口端的线速度之比为1∶1.05～3；纤维加热区气体温度为125℃～150℃，气体的流动速度与纤维运动速度之差不超过1.0米/秒。
本发明还提出采用上述方法的超高分子量聚乙烯纤维的热牵伸工艺设备，其特征在于，由依次相连的多级热牵伸设备组成，每一级的热牵伸设备由相互连接的进口牵伸机牵伸热箱、出口的牵伸机组成，每级牵伸热箱的长度为2～8米，进口与出口牵伸机的线速度之比(即每级的牵伸倍率的倒数)为1∶1.02～3；每级牵伸热箱分为下层气体加热区域和上层纤维加热区域，上下两层均设置有环状惰性气体气道，两层气道分别由牵伸热箱前端和后端的通道连接，下层加热惰性气体(一般为第一级牵伸热箱)等气体由前端进入上层气道，第一级牵伸热箱的侧面下部设置惰性气体入口；该牵伸热箱采用电感方式加热惰性气体。
本发明的特点及效果：
本发明采用多级热牵伸工艺采用了合适的操作长度和热牵伸倍率，以保证成品品质的稳定；采用通入惰性气体的方式以保证生产过程安全操作。规定热牵伸温度的适宜范围，且牵伸温度逐级不断升高，相邻两级牵伸的温度差不超过10℃，保证最终产品的强度。
采用电感加热，可以较为迅速地调节温度，便于操作人员调整工艺参数，并且较为安全。
本设备进一步可在第一级牵伸处设置密封罩，使牵伸操作安全、环保。
本发明还可采用两段工艺，不仅可以有效地减少毛丝、断丝等不良现象，提高产品品质，而且在保持总牵伸倍率不降低的基础上也可以提高入丝速度，提高生产能力。
附图说明
图1是本发明在第一级牵伸工序设置密封罩的三级热牵伸工艺流程图。
图2是本发明牵伸热箱风道结构示意图。
图3是三级热牵伸的流程图。
图4是采用两段三级热牵伸的流程图。
具体实施方式
本发明提出的制备超高分子量聚乙烯纤维的热牵伸设备和方法，结合附图及实施例详细说明如下：
本发明提出的一种超高分子量聚乙烯纤维的热牵伸工艺方法，其特征在于，：该方法包括对干燥完成后的纤维进行多级连续牵伸操作，纤维加热区的气流方向与纤维运动方向相同；温度逐级升高，牵伸倍率逐级降低，后一级热牵伸的牵伸倍率与前一级热牵伸的牵伸倍率之比为0.6～0.98，每级进口端与出口端的线速度之比为1∶1.02～3；纤维加热区气体温度为125℃～150℃。
本发明还提出采用上述方法的超高分子量聚乙烯纤维的热牵伸工艺设备，其特征在于，由依次相连的多级热牵伸设备组成，每一级的热牵伸设备由相互连接的进口牵伸机牵伸热箱、出口的牵伸机组成，每级牵伸热箱的长度为2～8米，进口与出口牵伸机的线速度之比(即每级的牵伸倍率的倒数)为1∶1.02～3；每级牵伸热箱分为下层气体加热区域和上层纤维加热区域，上下两层均设置有环状气体气道，两层气道分别由牵伸热箱前端和后端的通道连接，下层加热气体由前端进入上层气道，第一级牵伸热箱的侧面下部设置惰性气体入口；该牵伸热箱采用电感方式加热惰性气体。
热牵伸的目的是提高纤维内部分子链的取向度，使超高分子量聚乙烯纤维达到高取向度，最终实现高强度和高模量性质。热牵伸工艺是非常重要的加工步骤。根据传统的牵伸理论。牵伸温度应该低于结晶高聚物的熔点，并且多级牵伸温度要逐级提高。由于聚合物的熔点和结晶度、取向度密切相关。随着牵伸的进行，纤维的结晶度和取向度不断升高，纤维的熔点也相应升高，牵伸温度也需要相应升高。对于超高分子量聚乙烯纤维，牵伸温度为125～150℃，并且逐级升高。一般采用二级或者三级牵伸，或者四级牵伸，最多不超过六级牵伸。最好为三级或者四级牵伸。牵伸时纤维发生塑性形变，因为形变发生需要一定的时间，如果形变时间过短，将造成纤维断裂。牵伸时的形变时间由牵伸速度和牵伸区长度，即由牵伸机的线速度和牵伸热箱的长度决定。牵伸机的线速度越大，则牵伸形变时间越短；牵伸热箱的长度越长，则形变时间越长。由于牵伸工艺要求，牵伸机的线速度会越来越快，为保持一定的牵伸效果，牵伸热箱的长度应越来越长，或者每级的牵伸倍率逐级下降。牵伸热箱的长度过长时，被牵伸的纤维在较长的距离内无支撑，将造成纤维摆动，最终影响成品品质的稳定；在中间设置托辊可以减少纤维的摆动，但是将使牵伸在托辊和牵伸机导丝辊之间发生，实际降低了牵伸距离，减少形变时间，导致纤维较易发生断裂。综合上述因素，牵伸热箱的长度不宜过大，根据实际生产效果和制造方便考虑，一般在2～8米，最适宜的长度为5～6.5米。每级牵伸的牵伸倍率不宜过大，以免造成纤维断裂，但是牵伸倍率也不宜过小，影响设备的使用效率，经过实际生产的实践，表明一般每级牵伸的较为适宜的牵伸倍率为1.02～3，最好为1.1～2.5。每级热牵伸倍率D由以下公式确定：
D＝vn+1/vn
其中D为热牵伸倍率，vn+1是该级热牵伸中牵伸热箱出口处牵伸机牵伸辊的线速度，vn是该级热牵伸中牵伸热箱入口处牵伸机牵伸辊的线速度。两者均可以通过控制牵伸机牵 伸辊的转速保持确定的线速度，从而保证缠绕在牵伸辊上的纤维具有确定的线速度。
出干燥的纤维，有时候由于干燥工段的干燥作用不彻底，带有少量萃取剂等挥发性溶剂，带入牵伸热箱将不仅造成安全隐患而且会污染环境。因此，可以在第一级牵伸处设置密封罩，使用密封罩将第一级牵伸机、第一级牵伸热箱，以及第二级牵伸机与后续的牵伸设备隔离。密封罩的上部设置出风口，与气体回收分离装置相连，通过风机不断将罩内的的气体抽出，以保持一定的负压。但是负压不宜过大，一般罩内气压保持真空度为5～100帕。气压过低，虽然抽气效果较好，但是能源消耗过大，不宜采用。
除了采用密封罩的措施外，第一级牵伸热箱也可以同时或者单独采用通入惰性气体的方式以保证生产过程安全操作。惰性气体由牵伸热箱的下部通入，由气道出口排出。惰性气体可以是氮气，或者氩气，或者二氧化碳，或者三种中其中两种或者三种的混合物。为节省费用，一般采用氮气。惰性气体流量不低于0.001立方米/秒，一般保持在0.02～0.001立方米/秒。
经实际生产实践，表明热牵伸温度的适宜范围为125～150℃，并且牵伸温度逐级不断升高，但升高幅度不宜过大，一般相邻两级牵伸的温度差不超过10℃，最好不超过5℃。热牵伸温度高于150℃，将明显影响最终产品的强度，因此牵伸温度不宜高于150℃。
热牵伸一般采用多级牵伸操作，可以是二级、三级，四级，一般不超过六级。多级牵伸可以使牵伸过程较为缓和，防止由于牵伸速度过快造成纤维形变速率过快导致纤维断裂，也可以提高总牵伸倍率。但是热牵伸级数不宜过多。牵伸级数过多，会造成设备数量增加，设备投资和操作费用升高。多级热牵伸的级数不超过六级，最好为三级～五级。因为牵伸热箱的进口和出口处均需要设置牵伸机，因此牵伸机的数量比牵伸级数多1，牵伸热箱的数量和牵伸级数相同。
由于牵伸热箱和牵伸机的距离一般较为固定，每级进口牵伸机、出口的牵伸机和牵伸热箱的直线距离不超过0.5米。每级热牵伸的长度主要由牵伸热箱的长度决定。纤维在热牵伸过程中运动速度不断加快，如果牵伸热箱的长度保持不变，势必造成纤维的形变时间减少，易造成纤维的断裂。为防止上述情况发生，一般采用两种方式。一种方式是，热牵伸过程的每级牵伸倍率随着牵伸级数的增加而逐渐降低；另一种方式是，牵伸热箱的长度随着牵伸级数的增加而逐渐加长。实际操作中，两种方式均可以采用，也可以同时采用两种方式，以保证能完成预期的总牵伸倍率，并保证纤维不发生断裂为准。但是采用后者将增加设备制造和操作的复杂程度。本发明中多级热牵伸的牵伸倍率保持在1.02～3，并且牵伸倍率应保持逐级下降，以保证纤维的平稳加工和设备使用的经济性。根据生产实践，后一级热牵伸的牵伸倍率与前一级热牵伸的牵伸倍率之比较为适宜的范围为0.6～0.98。
总的牵伸倍率由各级牵伸倍率的综合决定，因此与牵伸级数、入丝速度(即第1级牵伸机的线速度)、牵伸热箱长度、牵伸温度等有关。由于纤维的形变特性，牵伸热箱的长度和每级的牵伸倍率不宜过大，因此第1级牵伸机的线速度就是较为重要的参数，决定整体的热牵伸倍率。根据实际生产情况，表明第1级牵伸机的线速度一般不应超过30米/分 钟。如果由于设备和场地长度等因素的限制，造成整体牵伸倍率不够，可以才用两段工艺进行热牵伸。即采用两段多级热牵伸进行加工，纤维在第1段热牵伸工艺进行多级热牵伸后，卷绕成筒。而后置于放丝架上，进行第2段多级热牵伸工艺。特别是对于需要级数较多的热牵伸工艺，可以改成两段级数较少的热牵伸工艺，在增加一台纺丝架和卷绕机的基础上，不仅可以有效地减少毛丝、断丝等不良现象，提高产品品质，而且在保持总牵伸倍率不降低的基础上也可以提高入丝速度，提高生产能力。
在本发明中采用的牵伸热箱的内部气体流道分为上下两层，上层为纤维加热区域，下层为气体加热区域。上下两层分别在牵伸热箱的前端和后端相通，加热气体从前端的通道流入上层气道。
本发明中下层的气体加热区域采用电感方式进行加热。在下层流道内设置多管电感加热管。在上下两层的前端联通通道处设置温度探测仪，检测温度，根据温度调节电感加热，以控制温度。采用电感加热，可以较为迅速地调节温度，便于操作人员调整工艺参数，并且较为安全。下层的气体加热区设置风机，以推动气体流动。风机的数量可以为一台，设于气道前端；也可以为两台，分别设置于气道的后端和前端。电感加热区一般设置于气道的中部。前端联通通道处设置气体分布装置，一般采用多层筛板，后端联通通道处也设置气体分布装置，一般采用多层筛板。两处的筛板层数可以相同，也可以不同。层数不同时，为减少气体流动阻力并能保证加热纤维的气体均匀，一般采用前端筛板层数多于后端的方式。温度探测仪位于气体分布装置以上。
在纤维加热区域，气体流动方向可以和纤维运动方向相同，也可以相反。两者流动方向相反时，相对速度较大，虽然传热效率较高，但是对纤维的扰动作用较大，影响纤维的均匀受力，会对最终产品的品质造成影响。因此一般采用相同的流动方向。纤维和气流采用错流方式时，气流对纤维的扰动作用更大，因此不宜采用。气体流动速度不宜过大，以免造成对纤维的扰动，一般气体的流动速度与纤维的运动速度之差不超过1.0米/秒。
以下结合附图及实施例进一步说明。
本发明的第一级牵伸工序设置密封罩的三级热牵伸工艺方法及设备如图1所示。该设备由依次相连的多级热牵伸装置组成(多级热牵伸装置为二级，或者三级，或者四级以上不超过六级，图中以三级为例)，每一级的热牵伸装置由相互连接的进口牵伸机102、104、106，牵伸热箱103、105、107，出口的牵伸机104、106、108组成，其中牵伸机104和106即为上级的出口牵伸机又同时作为下级的入口牵伸机。该工艺方法为：从干燥工段出来的干燥的纤维101，经过第一级牵伸机102，进入第一级牵伸热箱103，而后经过第二级牵伸机104，进入第二级牵伸热箱105，经过第三级牵伸机106，进入第三级牵伸热箱107，经过第三级出口牵伸机108，而后在卷绕机109卷绕成型。第一级牵伸机202和第一级牵伸热箱203位于密封罩110中，密封罩110的顶部设有排气出口111，气体由鼓风机112抽出经管道113去气体回收处理装置进行处理。惰性气体贮存于钢瓶或者贮藏罐114内，经压缩机115，惰性气体116从第一级牵伸热箱103的底部进入箱体内部。
本发明的牵伸热箱结构如图2所示。气体在气体加热风道201区域通过电感加热器203加热，由通风机202提供动力在风道内流动，气体在气体分配器204分布均匀后，进入纤维加热风道205中，纤维加热风道上部由箱盖206与外部隔离。牵伸热箱底部由惰性气体入口管道207，并连接减压阀208，以控制惰性气体的压力。从干燥工段出来的纤维209由牵伸热箱的左侧进入纤维加热风道内，与下层流入的热气接触加热。
本发明的牵伸热箱上盖可以开启，开启时可以进行施行人工带纤维操作，以及断丝等处理工作。牵伸热箱的上盖一端与箱体以合页等可转动装置相连，可以自由转动。
本发明的三级热牵伸的工艺流程如图3所示。从干燥工段出来的干燥的纤维301，经过第一级牵伸机302，进入第一级牵伸热箱303，而后经过第二级牵伸机304，进入第二级牵伸热箱305，经过第三级牵伸机306，进入第三级牵伸热箱307，经过第四级牵伸机308，而后在卷绕机309卷绕成型。
本发明采用两段热牵伸工艺流程如图4所示。干燥后的纤维401，进入第1段热牵伸工段，经过第1级牵伸机402，进入第1级牵伸热箱403，而后经过第2级牵伸机404，第2级牵伸热箱405，第3级牵伸机406，第3级牵伸热箱407，在卷绕机408上卷绕成筒，其中卷绕机408线速度高于406，起到牵伸机的作用。而后将纤维置于方丝架409上，进行第2段热牵伸，经过第1级牵伸机410，进入第1级牵伸热箱411，而后经过第2级牵伸机412，第2级牵伸热箱413，第3级牵伸机414，第3级牵伸热箱415，第4级牵伸机416，最后在卷绕机417上卷绕成型。
本发明的超高分子量聚乙烯纤维的热牵伸过程的方法和设备的实施例分别说明如下：
实施例1
干燥完成的纤维，进入第一级牵伸机，线速度为25m/min，然后进入第一级热牵伸热箱，热箱温度为135℃，然后进入第二级牵伸机，线速度为31m/min。然后进入第二级热牵伸热箱，热箱温度为138℃，然后进入第三级牵伸机，线速度为35m/min。进入第三级热牵伸热箱，热箱温度为145℃，然后进入第四级牵伸机，线速度为38m/min。
牵伸热箱的长度全部为4.5米，采用电感加热。第一级牵伸机和第一级牵伸热箱均位于密封罩内，密封罩的上部设有出气口，安装有风机，风机的风量不小于1立方米/秒。第一级牵伸热箱的侧面下部安装有惰性气体入口，通入氩气，流量为0.05立方米/秒。
实施例2
干燥完成的纤维，进入第一级牵伸机，线速度为27m/min，然后进入第一级热牵伸热箱，热箱温度为138℃，然后进入第二级牵伸机，线速度为38m/min。然后进入第二级热牵伸热箱，热箱温度为139℃，然后进入第三级牵伸机，线速度为47m/min。进入第三级热牵伸热箱，热箱温度为145℃，然后进入第四级牵伸机，线速度为54m/min，然后进入第四级牵伸热箱，热箱温度为147℃，最后经过第五级牵伸机，线速度为60m/min。最后经过卷绕成型，制成成品。牵伸热箱长度为5米。
牵伸热箱采用电感加热。第一级牵伸机和第一级牵伸热箱均位于密封罩内，密封罩的上部设有出气口，安装有风机，风机的风量不小于1立方米/秒。第一级牵伸热箱的侧面下部安装有惰性气体入口，通入二氧化碳，流量为0.05立方米/秒。
实施例3
干燥完成的纤维，进入第一级牵伸机，线速度为25m/min，然后进入第一级热牵伸热箱，热箱温度为135℃，然后进入第二级牵伸机，线速度为32m/min。然后进入第二级热牵伸热箱，热箱温度为137℃，然后进入第三级牵伸机，线速度为40m/min。进入第三级热牵伸热箱，热箱温度为141℃，然后进入第四级牵伸机，线速度为48m/min，然后进入第四级牵伸热箱，热箱温度为142℃，最后经过第五级牵伸机，线速度为58m/min。最后经过卷绕成型，制成成品。
牵伸热箱长度全部为5米，采用电感加热。第一级牵伸机和第一级牵伸热箱均位于密封罩内，密封罩的上部设有出气口，安装有风机，风机的风量不小于1立方米/秒。第一级牵伸热箱的侧面下部安装有惰性气体入口，通入氮气，流量为0.01立方米/秒。
实施例4
干燥完成的纤维，进入第一级牵伸机，线速度为15m/min，然后进入第一级热牵伸热箱，热箱温度为135℃，长度为4.0米，然后进入第二级牵伸机，线速度为32m/min。然后进入第二级热牵伸热箱，热箱温度为137℃，长度为4.5米，然后进入第三级牵伸机，线速度为42m/min。进入第三级热牵伸热箱，热箱温度为141℃，长度为5米，然后进入第四级牵伸机，线速度为48m/min，然后进入第四级牵伸热箱，热箱温度为142℃，长度为6米，最后经过第五级牵伸机，线速度为53m/min。最后经过卷绕成型，制成成品。
第一级牵伸机和第一级牵伸热箱均位于密封罩内，密封罩的上部设有出气口，安装有风机，风机的风量不小于1立方米/秒。第一级牵伸热箱的侧面下部安装有惰性气体入口，通入氮气，流量为0.005立方米/秒。
实施例5
干燥完成的纤维，进入第一级牵伸机，线速度为25m/min，然后进入第一级热牵伸热箱，热箱温度为125℃，长度为4.5米，然后进入第二级牵伸机，线速度为32m/min。然后进入第二级热牵伸热箱，热箱温度为135℃，长度为5.5米，然后进入第三级牵伸机，线速度为40m/min。进入第三级热牵伸热箱，热箱温度为141℃，长度为6米，然后进入第四级牵伸机，线速度为48m/min，然后进入第四级牵伸热箱，热箱温度为142℃，长度为7.5米，最后经过第五级牵伸机，线速度为60m/min。最后经过卷绕成型，制成成品。
第一级牵伸机和第一级牵伸热箱均位于密封罩内，密封罩的上部设有出气口，安装有风机，风机的风量不小于1立方米/秒。第一级牵伸热箱的侧面下部安装有惰性气体入口， 通入二氧化碳，流量为0.05立方米/秒。
实施例6
干燥完成的纤维，进入第一级牵伸机，线速度为14m/min，然后进入第一级热牵伸热箱，热箱温度为130℃，长度为4.5米，然后进入第二级牵伸机，线速度为32m/min。然后进入第二级热牵伸热箱，热箱温度为135℃，长度为5.5米，然后进入第三级牵伸机，线速度为45m/min。进入第三级热牵伸热箱，热箱温度为141℃，长度为6米，然后进入第四级牵伸机，线速度为53m/min，然后进入第四级牵伸热箱，热箱温度为142℃，长度为7.5米，进入第五级牵伸机，线速度为60m/min，然后进入第五级牵伸热箱，热箱温度为145℃，长度为7.5米，进入第六级牵伸机，线速度为65m/min，然后进入第六级牵伸热箱，热箱温度为149℃，长度为7.5米，最后经过第六级牵伸机，线速度为68m/min。最后经过卷绕成型，制成成品。
第一级牵伸机和第一级牵伸热箱均位于密封罩内，密封罩的上部设有出气口，安装有风机，风机的风量不小于1立方米/秒。第一级牵伸热箱的侧面下部安装有惰性气体入口，通入氩气，流量为0.02立方米/秒。
实施例7
干燥完成的纤维，进行两段热牵伸工艺。进入第一级牵伸机，线速度为20m/min，然后进入第一级热牵伸热箱，热箱温度为125℃，然后进入第二级牵伸机，线速度为30m/min。然后进入第二级热牵伸热箱，热箱温度为135℃，然后进入第三级牵伸机，线速度为43m/min。进入第三级热牵伸热箱，热箱温度为138℃，然后进入卷绕机卷绕成筒，线速度为49m/min。而后卷绕成筒的纤维置于纺丝架上，进行第2段热牵伸，第2段的第一级牵伸机的线速度为8米/分钟，进入第一级牵伸热箱，热箱温度为142℃，进入第二级牵伸机，线速度为20m/min，然后进入第二级牵伸热箱，热箱温度为145℃，进入第三级牵伸机，线速度为30m/min，然后进入第三级牵伸热箱，热箱温度为151℃，最后经过第三级牵伸机，线速度为38m/min。最后经过卷绕成型，制成成品。
第1段和第2的牵伸热箱长度均为4.5米。第一级牵伸机和第一级牵伸热箱均位于密封罩内，密封罩的上部设有出气口，安装有风机，风机的风量不小于1立方米/秒。第一级牵伸热箱的侧面下部安装有惰性气体入口，通入氩气，流量为0.02立方米/秒。
Claims (5)
1.一种超高分子量聚乙烯纤维的热牵伸工艺设备，其特征在于，由依次相连的多级热牵伸设备组成，每一级的热牵伸设备由相互连接的进口牵伸机牵伸热箱、出口的牵伸机组成，每级牵伸热箱的长度为2～8米，进口与出口牵伸机的线速度之比为1∶1.02～3；每级牵伸热箱分为下层气体加热区域和上层纤维加热区域，上下两层均设置有环状惰性气体气道，两层气道分别由牵伸热箱前端和后端的通道连接，下层加热气体由前端进入上层气道；第一级牵伸热箱的侧面下部设置惰性气体入口；该牵伸热箱采用电感方式加热惰性气体；第一级牵伸设备置于密封罩内，密封罩上方设置有鼓风机，密封罩设置废气排放口，并与气体回收处理装置相连，该设备对干燥完成后的纤维进行多级连续牵伸操作，纤维加热区的气流方向与纤维运动方向相同；温度逐级升高，牵伸倍率逐级降低，后一级热牵伸的牵伸倍率与前一级热牵伸的牵伸倍率之比为0.6～0.98；纤维加热区气体温度为125℃～150℃，气体的流动速度与纤维的运动速度之差不超过1.0米/秒，并且运动方向相同。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述的多级热牵伸设备为二级，或者三级，或者四级以上不超过六级。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述惰性气体为氩气；该惰性气体从侧面下部进入牵伸热箱下层的气体加热区域，惰性气体流量不低于0.001立方米/秒。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于：所述惰性气体用氮气或者二氧化碳代替，或者用氩气、氮气或者二氧化碳三种中两种或者三种的混合物代替。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：每级进口牵伸机、出口的牵伸机和牵伸热箱的直线距离不超过0.5米。
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